CN105634234A - 一种无刷式直流测速发电机 - Google Patents

Abstract

一种无刷式直流测速发电机，包括转轴、前端盖及轴承、机座、定子铁心、定子线圈、霍尔元件、永磁转子、后端盖及轴承。其中定子铁心固定在机座内侧，定子铁心设有封闭槽，霍尔元件嵌放在封闭槽中，定子铁心另设有凹槽，定子线圈嵌放在凹槽中；定子线圈的轴线位置与霍尔元件的平面法线位置对齐，且定子线圈的两端分别与对应的霍尔元件的控制端相连；转子为两极的永久磁钢，转子中心设有通孔，转轴一端穿过前端盖的轴承后与机座固定，另一端穿过永磁转子中心通孔后与永磁转子固定，再穿过右端盖的轴承后与机座固定。本发明的无刷式直流测速发电机，输出特性的线性误差小，无剩余电压，结构简单，在低速时也能够精确的测量转速，不存在失灵区。

Description

一种无刷式直流测速发电机

技术领域

本发明涉及一种测速发电机，更具体的是涉及一种基于霍尔效应的无刷式直流测速发电机。

背景技术

直流测速发电机是一种测量转速的微型电气装置，其功能是把输入的机械转速变换为电压信号输出，且输出的电压信号与转速成正比。直流测速发电机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两种，其中永磁式直流测速发电机的定子用永久磁钢制成，无需励磁绕组，具有结构简单、不需励磁电源、使用方便、温度对磁场的影响小等优点。

无论是电磁式还是永磁式直流测速发电机，其电枢电路包括电刷和换向片，会产生相应的接触电阻，该接触电阻为非线性，且随负载电流的变化而变化，导致测速发电机的输出特性存在线性误差。此外，当发电机转速较低时，相应的电枢电流较小，而接触电阻较大，电刷压降较大，此时测速发电机虽然有输入信号(转速)，但输出电压却很小，因而在输出特性上存在失灵区。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种无刷式直流测速发电机。

本发明的目的采取下述技术方案实现：

一种无刷式直流测速发电机，包括转轴、前端盖及轴承、机座、定子铁心、定子线圈、霍尔元件、永磁转子、后端盖及轴承；

所述定子铁心固定在机座内侧，定子铁心设有封闭槽，霍尔元件嵌放在封闭槽中，定子铁心另设有凹槽，定子线圈嵌放在凹槽中；所述定子线圈的两个有效边排放在相邻的两个凹槽中，定子线圈的轴线位置与霍尔元件的平面法线位置对齐，且定子线圈的两端分别与对应的霍尔元件的控制端相连；所述转子为两极的永久磁钢，转子中心设有通孔；所述转轴一端穿过前端盖的轴承后与机座固定，另一端穿过永磁转子中心通孔后与永磁转子固定，再穿过后端盖的轴承后与机座固定。

所述定子铁心的封闭槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。

所述定子铁心的凹槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。

所述定子铁心的封闭槽和凹槽相互错开45度空间角。

所述永磁转子表面气隙的磁场按照正弦规律分布。

所述四片霍尔元件的输出端按照电势叠加的形式，进行相应的正向串联和反向串联。

本发明的有益效果：本发明的无刷式直流测速发电机，由于采用无刷结构，不存在电刷接触电阻造成的非线性误差，且结构简单，在低速时也能够精确的测量转速，不存在低速失灵区。

附图说明

图1为无刷式直流测速发电机的结构图；

图2为无刷式直流测速发电机的剖视图；

图3为无刷式直流测速发电机的气隙磁场示意图；

图4为无刷式直流测速发电机的定子线圈和霍尔元件的接线图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明的无刷式直流测速发电机的实施。

如图1、图2所示，一种无刷式直流测速发电机，包括转轴1、前端盖轴承2、前端盖3、定子线圈4、定子铁心5、机座6、霍尔元件7、永磁转子8、后端盖9和后端盖轴承10。

所述定子铁心5固定在机座6的内侧，定子铁心5设有封闭槽，霍尔元件7嵌放在封闭槽中，定子铁心另设有凹槽，定子线圈4嵌放在凹槽中；所述定子线圈4为四组，分别为401、402、403和404，每组线圈的两个有效边排放在相邻的两个凹槽中，四组线圈401、402、403和404的轴线分别与四片霍尔元件701、702、703和704的平面法线对齐，四组线圈401、402、403和404分别与四片霍尔元件704、701、702和703的控制端相连。

所述转子8为两极的永久磁钢，转子8的中心设有通孔；所述转轴1的一端穿过前端盖3的轴承2后与机座6固定，另一端穿过永磁转子8的中心通孔后与永磁转子8固定，再穿过后端盖9的轴承10后与机座6固定。

所述定子铁心5的封闭槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。

所述定子铁心5的凹槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。

所述定子铁心5的封闭槽和凹槽相互错开45度空间角。

所述永磁转子8表面气隙的磁场按照正弦规律分布。

所述四片霍尔元件701、702、703和704的输出端按照电势叠加的形式，进行相应的正向串联或反向串联。

如图3、图4所示，一种无刷式直流测速发电机，永磁转子8的初始位置如图3所示，永磁转子8不转时，定子线圈401、402、403和404中无感应电动势，由于定子线圈401、402、403和404分别与四片霍尔元件704、701、702和703的控制端相连，如图4所示，所以霍尔元件704、701、702和703中无霍尔电势输出，即不存在剩余电压；当永磁转子8顺时针，以旋转角速度Ω转动时，如图3所示，永磁转子8表面的气隙磁场为

B＝B_msinΩt(1)，

式中B_m为气隙磁场的幅值。

所述定子线圈401、402、403和404的气隙磁场分别为

$\left\{\begin{array}{c}{B}_1=-B_{m}cos\mathrm{\Ω}t\\ B_2=B_{m}sin\mathrm{\Ω}t\\ B_3=B_m\cos \mathrm{\Ω}t\\ B_4=-B_m\sin \mathrm{\Ω}t\end{array}\right.---\left(2\right),$

所述线圈401、402、403和404的轴线分别与霍尔元件701、702、703和704的平面法线对齐，如图3所示，则穿过霍尔元件701、702、703和704的磁场分别为B₁、B₂、B₃和B₄。

根据变压器原理，定子线圈401、402、403和404中分别产生感应电动势为

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=-K_1{B}_m\mathrm{\Ω}sin\mathrm{\Ω}t\\ e_2=-K_2{B}_m\mathrm{\Ω}cos\mathrm{\Ω}t\\ e_3=K_3{B}_m\mathrm{\Ω}\sin \mathrm{\Ω}t\\ e_4=K_4{B}_m\mathrm{\Ω}\cos \mathrm{\Ω}t\end{array}\right.---\left(3\right),$

式中K₁、K₂、K₃和K₄分别为与定子线圈401、402、403和404的结构相关的常数。

线圈401与霍尔元件704的控制端相连，线圈402与霍尔元件701的控制端相连，线圈403与霍尔元件702的控制端相连，线圈404与霍尔元件703的控制端相连，如图4所示，则霍尔元件704、701、702和703控制回路中的电流分别为

$\left\{\begin{array}{c}{i}_4=\frac{e_1}{R_4}=\frac{-K_1{B}_m\mathrm{\Ω}sin\mathrm{\Ω}t}{R_4}\\ i_1=\frac{e_2}{R_1}=\frac{-K_2{B}_m\mathrm{\Ω}cos\mathrm{\Ω}t}{R_1}\\ i_2=\frac{e_3}{R_2}=\frac{K_3{B}_m\mathrm{\Ω}\sin \mathrm{\Ω}t}{R_2}\\ i_3=\frac{e_4}{R_3}=\frac{K_4{B}_m\mathrm{\Ω}\cos \mathrm{\Ω}t}{R_3}\end{array}\right.---\left(4\right),$

式中R₄、R₁、R₂和R₃分别为霍尔元件704、701、702和703的控制回路中的附加电阻，如图4所示，根据霍尔元件的工作原理，则霍尔元件704、701、702和703输出的霍尔电势分别为

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{H4}=\frac{K_{H4}\·K_1\·B_m^2\·\mathrm{\Ω}\·{\sin }^2\mathrm{\Ω}t}{R_4}\\ E_{H1}=\frac{K_{H1}\·K_2\·B_m^2\·\mathrm{\Ω}\·{\cos }^2\mathrm{\Ω}t}{R_1}\\ E_{H2}=\frac{K_{H2}\·K_3\·B_m^2\·\mathrm{\Ω}\·{\sin }^2\mathrm{\Ω}t}{R_2}\\ E_{H3}=\frac{K_{H3}\·K_4\·B_m^2\·\mathrm{\Ω}\·{\cos }^2\mathrm{\Ω}t}{R_3}\end{array}\right.---\left(5\right),$

式中K_H4、K_H2、K_H3和K_H1分别为霍尔元件704、701、702和703的灵敏度。调节霍尔元件704、701、702和703的控制回路中的附加电阻R₄、R₁、R₂、和R₃，如图4所示，使得

$\left\{\begin{array}{c}\frac{K_{H2}\·K_3\·B_m^2}{R_2}=\frac{K_{H1}\·K_2\·B_m^2}{R_1}=K\\ \frac{K_{H4}\·K_1\·B_m^2}{R_4}=\frac{K_{H3}\·K_4\·B_m^2}{R_3}=H\end{array}\right.---\left(6\right),$

所述霍尔元件704、701、702和703输出的霍尔电势叠加后为

E_H＝E_H1+E_H2+E_H3+E_H4＝KΩ+HΩ(7)，

根据式(7)可知，总输出的霍尔电势与转子角速度Ω成正比。

所述的无刷式直流测速发电机，无电刷和换向片，不存在电刷和换向片的接触电阻，其输出特性的线性误差小，结构简单，且在低速时也能够精确的测量转速，不存在失灵区。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无刷式直流测速发电机，包括转轴、前端盖及轴承、机座、定子铁心、定子线圈、霍尔元件、永磁转子、后端盖及轴承；

其特征在于：所述定子铁心固定在机座内侧，定子铁心设有封闭槽，霍尔元件嵌放在封闭槽中，定子铁心另设有凹槽，定子线圈嵌放在凹槽中；所述定子线圈的两个有效边排放在相邻的两个凹槽中，定子线圈的轴线位置与霍尔元件的平面法线位置对齐，且定子线圈的两端分别与对应的霍尔元件的控制端相连；所述转子为两极的永久磁钢，转子中心设有通孔；所述转轴一端穿过前端盖的轴承后与机座固定，另一端穿过永磁转子中心通孔后与永磁转子固定，再穿过后端盖的轴承后与机座固定。

2.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：定子铁心的封闭槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。

3.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：定子铁心的凹槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。

4.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：定子铁心的封闭槽和凹槽相互错开45度空间角。

5.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：永磁转子表面气隙的磁场按照正弦规律分布。

6.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：四片霍尔元件的输出端按照电势叠加的形式，进行相应的正向串联或反向串联。